CN100521673C - 一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法，包括以下步骤：(1)初始子信道组分配；(2)基站向接入到当前基站的移动台发送一帧进行信道估计的辅助数据，移动台选取可用子信道，形成子信道标记信息，发送到基站；(3)基站根据收到的子信道标记信息对各个移动台的已调信号进行正交变换，建立起基站到移动台的下行通信链路；(4)移动台将收到的抽样信号变换到频域，对接收信号进行频域均衡，选出可用子信道上的有用信号；(5)根据需要，在通信过程中基站改变子信道组，移动台根据收到的信息与基站进行通信。本发明在保证系统性能的前提下较好的解决了下行链路在时变环境中的接入问题。

Description

一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法

(一)技术领域

本发明涉及宽带数字通信传输方法，属于宽带无线通信技术领域。

(二)背景技术

通信技术在最近几十年，特别是二十世纪九十年代以来得到了长足发展，对人们日常生活和国民经济的发展产生了深远的影响。而未来通信技术正朝着宽带高速的方向发展，因此许多宽带数字传输技术受到广泛的关注，正交频分复用(以下简称0FDM：0rthogonalFrequency Division Multiplexing)和频域均衡的单载波(以下简称SC-FDE：SingleCarrier with Frequency Domain Equalization)就是两种被人们重视的宽带数字传输技术，它们都属于分块传输技术，而目前OFDM受关注的程度要远远超过SC-FDE，并且在多种标准中成为支撑技术，例如：无线局域网(WLAN：Wireless Local Area Network)中的IEEE802.11a；无线城域网(WMAN：Wireless Metropolitan Area Network)中的IEEE802.16；有线数据传输中的各种高速数字用户线(xDSL：Digital Subscriber Line)都是基于OFDM技术的标准。SC-FDE并没有被这些标准采用，只是在IEEE802.16中与OFDM共同建议为物理层传输技术。

下面简单介绍一下传统SC-FDE系统的数学模型。

SC-FDE系统在发送端发送的一帧离散时域信号为s(n)，(n＝0，1，…，N-1)，通过多径信道，其中信道的脉冲响应为h(n)，(n＝0，1，…L-1)，信号传输过程中受到加性白高斯噪声(AWGN：Additive White Gaussian Noise)的干扰，设噪声为w(n)，(n＝0，1，…，N-1)，去掉CP之后，接收到的时域信号r(n)为：

$r\left(n\right)=s\left(n\right)\⊗h\left(n\right)+w\left(n\right),(n=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1)---\left(1\right)$

其中，

表示循环卷积运算。

在接收端对信号做离散傅立叶变换(以下简称DFT：Discrete Fourier Transform)变换到频域，根据DFT的时域卷积定理，所得到的频域信号为：

R(k)＝S(k)H(k)+W(k)，(k＝0，1，…，N-1)      (2)

其中，R(k)，S(k)，H(k)，W(k)分别是r(n)，s(n)，h(n)，w(n)做N点DFT得到的频域符号，并且，H(k)，(k＝0，1，…，N-1)是信道的频域响应。经过迫零均衡以后频域信号为：

$\tilde{S}\left(k\right)=S\left(k\right)+\frac{W\left(k\right)}{H\left(k\right)}=S\left(k\right)+\tilde{W}\left(k\right),(k=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1)---\left(3\right)$

最后，将信号做离散傅里叶逆变换(以下简称IDFT：Inverse Discrete Fourier Transform)变回时域进行判决，得到发送端传输的数据。

OFDM和SC-FDE都属于分块传输技术，它们所构成的系统称为分块传输系统。

宽带移动通信的信道一般都表现出严重的频率选择性衰落，频率选择性信道对分块传输系统的影响主要表现在：信号的多径传播或时延扩展会引起频率选择性衰落，信号在频率选择性衰落信道中传播会导致信号的某些频谱分量被衰减得很低，在信道存在深衰点的情况下，信号受到的影响更大，以致信号产生畸变，导致符号间干扰，从而影响系统性能。

在OFDM和SC-FDE许多重要应用场合(如WLAN、WMAN、xDSL以及未来的宽带移动通信等)，都存在反向信道，这时分块传输系统发送端可以利用反向信道回传的信道状态信息和一些自适应技术来提高整个系统的性能和效率。

申请号为200410036439.6的中国发明专利提供了一种选频方式的单载波分块传输方法，该选频方式的分块传输方法包括以下步骤：

(1)收发双方建立通信后，接收端从估计出来的N个信道状态信息中找出M个可用子信道，同时将可用信道和禁用信道分别作标记，形成子信道标记信息，通过反向信道将子信道标记信息发回发送端；

(2)发送端收到接收端发回的子信道标记信息后，根据这些信息改变信号频谱，用可用子信道传输信号；

(3)接收端收到信号后，将信号变换到频域，再根据子信道标记信息选出可用子信道上的信号，然后对选出来的信号进行均衡和判决，最终得到传输的数据。

详细步骤参考《一种选频方式的单载波分块传输方法》(已申请中国发明专利，专利申请号：200410036439.6)，在此不再赘述。

在移动通信系统中，必须采用有效的多址接入技术。多址接入技术的基本类型有频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)，时分多址TDMA(Time Division MultipleAccess)和码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。FDMA和TDMA实现简单但分别需要在频域和时域留有保护带，效率低。CDMA作为一种多址技术，其用户容量显著高于TDMA和FDMA，但实现复杂；多载波CDMA(MC-CDMA)也存在与普通CDMA相同的问题。在无线局域网中的载波侦听/碰撞回避技术，效率很低。

正交频分多址，OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)，是近几年受到关注的一种新的宽带多址技术，它是一种基于OFDM的多址接入技术，本质上可以看作是一种新型的频分多址技术。OFDMA把整个带宽划分成大量的窄带子信道，一个用户分配一个或若干子带(子信道组)，每个子带包含一定数量的子信道。OFDMA实现简单，频谱利用率高。在下行链路中，无多用户干扰。OFDMA建立子带的方案一般有两种，一种是相邻的一定数量的子信道形成子带，第二种方案是子带的所有子信道随机地或者按照一定的间隔散布在整个带宽中。第二种方案相比较第一种方案，具有优势，尤其在频率选择性衰落信道中。为了能充分利用信道状态信息，大量的自适应OFDMA技术被提出，但是复杂度太高。尽管上述第二种方案在频率选择性衰落信道中效果要好一些，但仍然会受到频率选择性衰落的很大影响，一般必需结合纠错能力很强的纠错码才能将系统的误码率控制在比较低的水平(例如10^-4以下)，而这样的纠错码的码率一般都很低，例如一般为1/2、1/3甚至更低，这使整个系统的效率大大降低。

(三)发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法，可以在复杂度增加不多的情况下，大大改善系统的误码性能，从而可以显著提高系统的频谱效率。

由于基站接入到各个移动台的方式相同，为叙述方便，以下针对某个移动台U的下行通信来进行说明。

该方法包括以下步骤：

(1)初始子信道组分配，基站为接入到当前基站的各个移动台分配一组子信道，通知各个移动台其所分到的子信道组情况；

(2)基站向接入到当前基站的移动台发送一帧进行信道估计的辅助数据，移动台各自估计出本移动台所用的子信道组的信道状态信息，移动台在本移动台的子信道组中按照子信道增益高低，选取增益高的前M个为可用子信道，形成子信道标记信息，并将本移动台的子信道组的子信道标记信息发送到基站；

(3)基站根据收到的各个子信道组的子信道标记信息对各个移动台的已调信号进行正交变换，扩展成N维向量，变回时域发送，建立起基站到移动台的下行通信链路；

(4)移动台将收到的抽样信号变换到频域，根据移动台U的子信道组的子信道标记信息对接收信号进行频域均衡，选出可用子信道上的有用信号，变回时域并完成判决，得到信息数据；

(5)根据需要，在通信过程中基站可以改变子信道组u，换为其他子信道组，或移动台保持子信道组u不变，仅仅改变子信道组u中的子信道标记信息；作出改变后，基站将改变后的子信道组的标识信息发送到移动台或移动台将改变后的子信道组u的子信道标记信息发送到基站，移动台总是根据最近收到的子信道组标识信息基站进行通信或基站总是根据最近收到的子信道组u的子信道标记信息与移动台进行通信。

详细步骤：

首先对涉及的符号进行以下说明：

k：子信道整体标号，0≤k≤N-1。分块传输系统中，通信双方把整个可用频带划分成N个子信道，在基于FFT实现的分块传输系统中，k同时也是频域变量的标号。

m：子信道的局部标号，是同一个子信道组中第m个子信道标号，称m为该子信道组中的局部标号。

I_u：子信道组u的标识信息，根据I_u基站和移动台都可以得到子信道组u中的所有子信道的整体标号。

D_B(k)：N维向量，N为基站所有可用的子信道个数，若D_B(k)＝u，1≤u≤U_max，表示第k个子信道属于第U个移动台的子信道组u，U_max表示基站允许接入的最大用户数。

D_u(m)：子信道组u的子信道标号数组。D_u(m)＝k表示子信道组u的局部标号为m的子信道的整体标号是k。这个数组在基站和移动台U都存储，基站根据D_B(k)可以得到D_u(m)，移动台U则根据基站传过来的子信道组u的标识信息I_u得到D_u(m)。

A_u(m)：子信道组u的子信道标记信息。A_u(m)＝0，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是不可用子信道；A_u(m)＝1，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是可用子信道。

第(1)步，初始子信道组分配，基站为接入到当前基站的各个移动台分配一组子信道，通知各个移动台其所分到的子信道组情况；

在分块传输系统中，基站将其可用整个频带划分成若干个子信道，由于分块传输系统需要将其去掉CP的离散时域信号利用DFT变换到离散频域，在离散频域中，基站的子信道总数等于DFT的点数，每一个子信道和DFT的一个点或分量相对应。每个子信道组包含的子信道数量，可以依据业务的不同而不同。同一个子信道组中的子信道在整个频带内的分布情况可以有多种选择，例如多个用户的子信道组可以各自占据一块连续的频谱，也可以每一个用户的子信道组都散布在整个频带范围内。

基站根据其业务需要和可用的频谱资源为移动台U分配一组子信道，记为子信道组u，形成子信道组u的子信道标识信息I_u。例如基站依据协议最多可以为六十四个移动台分配子信道组，则每一个子信道组需要六比特来标识，传送给移动台子信道组u的标识信息I_u，即子信道组u的标号；这些子信道组中的子信道数目可以相同，也可以不同；在子信道组u中的子信道完全随机的散布在整个频带范围内的情况下，子信道组u的标识信息I_u需要N比特信息来标记，即基站需要向移动台发送N比特信息。

设D_B是基站用来表示子信道组u标记信息的向量，即：

D_B＝{D_B(k)，k＝0，1…，N-1}，

D_B(k)＝u，1≤u≤U_max，表示第k个子信道属于第u个子信道组，记第u个子信道组有B_u个子信道，D_u(m)＝k，(m＝0，1，…，B_u-1)表示子信道组u的局部标号为m的子信道的整体标号是k。

移动台U接收到子信道组u的标识信息I_u后，也就是知道了D_u(m)＝k，(m＝0，1，…，B_u-1)。

第(2)步，基站向接入到当前基站的移动台发送一帧进行信道估计的辅助数据，移动台各自估计所用的子信道组的信道状态信息，移动台在本移动台的子信道组中按照子信道增益高低，选取增益高的前M个为可用子信道，形成子信道标记信息，并将本移动台的子信道组的子信道标记信息发送到基站；

信道估计的方法很多，例如基于训练帧的信道估计方法，插入导频符号估计方法等。

获取信道状态信息后，进行选频。移动台获取各自子信道组的信道状态信息后，根据系统性能要求和当前的信道状态信息来选取可用子信道，并用一比特信息“0”或“1”标记，形成子信道标记信息，通过反向信道将这些子信道标记信息送给基站，每个移动台所选取的可用子信道个数可以是不同的，是由基站与不同移动台之间的链路情况及业务需求决定的。

例如，设表示子信道组u的子信道标记信息的向量为：

A_u＝{A_u(m)，m＝0，1，…，B_u-1}，

A_u(m)＝1，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是可用子信道；A_u(m)＝0，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是不可用子信道，记所有子信道组u中可用子信道的数目为M，并且M在通信过程中是可以改变的，例如，每次进行重新选频时，选择出的可用子信道数目M一般是不相同的。选取可用子信道时，首先估计出接收信噪比并根据接收信噪比确定所用的调制方式，调制方式也可以由通信双方事先约定，选取可用子信道的准则是在满足系统的误码性能的要求的前提下，选取的可用子信道的数目尽可能多。系统的误码性能由系统的均衡后信噪比决定，把达到这个误码性能的最低均衡后信噪比称为期望均衡后信噪比，并留有一定余量。

其中，接收信噪比的计算方法参考相关文献。设移动台当前选出的M个可用子信道的整体标号为k_m，(m＝0，1，…，M-1)，它们都是子信道组u中的子信道。下面仅以迫零均衡为例简要介绍均衡后信噪比的计算，这里没有考虑同步误差的影响：

由于循环前缀的作用，在离散时域上，信号与信道脉冲响应的线性卷积可以转换成离散频域上的乘积。设S′(k)，H_u(k)，W(k)，R′(k)，(k＝0，1，…，N-1)分别为频域发送信号，信道复增益，噪声和去掉CP后的频域接收信号，其中W(k)，(k＝0，1，…，N-1)为高斯噪声，则：

R′(k)＝S′(k)H_u(k)+W(k)，(k＝0，1，…，N-1)

对子信道组u中的M个可用子信道进行迫零均衡后得到：

$\tilde{S}\′\left(m\right)=S\′\left(k_m\right)+\frac{W\left(k_m\right)}{H_u\left(k_m\right)},(m=\mathrm{0,1},\·\·\·,M-1)$

均衡后信噪比为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{eq}}=\frac{E\left(\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{|S\′\left(k_m\right)|}^2\right)}{E\left(\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{W\left(k_m\right)}{H_u\left(k_m\right)}\right|}^2\right)}=\frac{E\left(\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{|S\′\left(k_m\right)|}^2\right)}{{\mathrm{\σ}}_n^2\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{1}{H_u\left(k_m\right)}\right|}^2}$

其中， ${\mathrm{\σ}}_n^2=E\left({\left|W\left(k\right)\right|}^2\right),$ (k＝0，1，…，N-1)为噪声在各个子信道上的功率。

第(3)步，基站根据收到的各个子信道组子信道标记信息对各个移动台的已调信号进行正交变换，扩展成N维向量，变回时域发送，建立起基站到移动台的下行通信链路；

基站将每个移动台的业务数据根据各个移动台所采用的调制方式分别进行符号映射，然后将符号映射后的业务数据按照该移动台子信道组的子信道标记信息进行变换，不妨以基站对移动台的业务数据进行的变换为例说明：

基站根据移动台U所采用的调制方式对其业务数据进行符号映射，形成待传输的一帧M个符号，将这M个符号进行正交变换，得到M个变换域符号，根据子信道标记信息将上述M个变换域符号扩张成N维向量，得到待发送信号的频域形式。

各个移动台的发送信号在频域是互相不重叠的，将这些互不重叠的N维向量合并成一个N维向量，即基站待发送信号的频域形式，变到时域加CP发送。

其中，根据子信道标记信息将M个变换域符号扩张成N维向量的具体方法是：

在基站收到移动台U发送回来的子信道标记信息后，只用M个可用子信道来传输信号，这样对移动台U的一帧M个分块传输系统符号s(n)，(n＝0，1，…，M-1)，作M点正交变换到变换域：

S＝Fs

其中，F是M点正交变换矩阵，s＝{s(n)，n＝0，1…M-1}为M个分块传输系统时域符号，S＝{S(i)，i＝0，1…，M-1}为M个变换域符号。

将M维变换域符号S＝{S(i)，i＝0，1…M-1}扩张成N维向量S′＝{S′(k)，k＝0，1…N-1}，其中M个变换域符号与子信道组u的M个可用子信道一一对应，例如S按M个可用子信道整体标号的顺序依次与其对应：

令S′＝{S′(k)，k＝0，1，…，N-1}第k_m个分量等于S(m)，在子信道组u的其他子信道对应的分量上置零或放置一些非信息数据；在不属于子信道组u对应的各子信道上，全部置零。

这里k_m，(m＝0，1，…，M-1)是子信道组U中的M个可用子信道的整体标号。对所有移动台的数据组都作上述过程的变换，就得到一帧分块传输系统的频域信S′＝{S′(k)，k＝0，1，…，N-1}，然后对S′(k)，(k＝0，1，…，N-1)做N点的离散傅里叶逆变换(以下简称IDFT：Inverse Discrete Fourier Transform)，可以通过快速傅立叶逆变换(以下简称IFFT：Inverse Fast Fourier Transform)算法实现：

$s\′\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}S\′\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}},(n=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1)---\left(11\right)$

变成时域信号，过抽样时IFFT点数要大于N，高频部分置零，对该时域信号作D/A变换后，再进行载波调制就可以发送出去。

当各个移动台的可用子信道数目不是2的整数次幂时，正交变换可以分块实现，不同的块可以用相同的或不同的正交变换；

第(4)步，移动台将收到的抽样信号变换到频域，根据本移动台U的子信道组的子信道标记信息对接收信号进行频域均衡，选出可用子信道上的有用信号，变回时域并完成判决，得到信息数据；

当各个移动台的可用子信道数目不是2的整数次幂时，原正交变换如果采用了分块实现，逆正交变换也要分块实现，不同的块根据各自采用的正交变换采用相同或不同的逆正交变换；

其中，根据子信道标记信息选出本移动台可用子信道上的信号的具体实现方法是，以移动台U为例：

设收端接收到信号去掉CP的时域离散信号为：

$r\′\left(n\right)=s\′\left(n\right)\⊗h\left(n\right)+w\left(n\right),(n=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1)$

对其做N点的DFT：

$R\′\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r\′\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}},(k=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1)$

并且：

R′(k)＝S′(k)H(k)+W(k)，(k＝0，1，…，N-1)

这样就可以根据子信道组u的标记信息及其对应的子信道标记信息共同选出M个可用子信道上的信号R(m)，(m＝0，1，…，M-1)，例如对前述的频谱变换方法，有：

R(m)＝R′(k_m)，这里k_m，(m＝0，1，…，M-1)是M个可用子信道的整体标号。

用估计出来的信道状态信息中可用子信道的信道状态信息对选出来的信号进行均衡；可以选择下述三种均衡方式之一：

1、迫零均衡；

2、最小均方误差均衡；

3、混合均衡，即一部分子信道用迫零均衡，而另一部分子信道用最小均方误差均衡。

均衡后的信号通过M点逆正交变换变回时域：

r＝F^HR

其中F^H是F的共轭转置，它是F的逆变换矩阵。当M不是2的整数次幂时，原正交变换如果采用了分块实现，逆正交变换也要分块实现，不同的块根据各自采用的正交变换采用相同或不同的逆正交变换；

第(5)步，根据需要，在通信过程中基站可以改变子信道组u，换为其他子信道组，或移动台保持子信道组u不变，仅仅改变子信道组u中的子信道标记信息；作出改变后，基站将改变后的子信道组的标识信息发送到移动台或移动台将改变后的子信道组u的子信道标记信息发送到基站，移动台总是根据最近收到的子信道组标识信息基站进行通信或基站总是根据最近收到的子信道组u的子信道标记信息与移动台进行通信。

当信道状态信息发生改变时，或者系统需要对多用户的子信道组进行优化时，基站可以改变子信道组u的标识信息，即将子信道组u换为其他子信道组，或移动台保持子信道组u的标识信息不变，仅仅改变子信道组u中的子信道标记信息，这时以前的信道标记信息就会不准确，从而影响系统性能，这时需要重新选频，重复第二步和第三步。

通过上述各步的描述就可以构建新系统，但需要对影响系统误码性能和频谱效率的参数作出说明：

1、可用子信道数的确定

可用子信道数是影响新系统性能的重要参数。纵观上述方案，如果只用可用子信道传输有用信息，这就存在一个如何确定可用子信道数目的问题，对于不同的信道类型及时变信道的不同时刻，这一数值并不是一个定值。根据信道情况不同，兼顾系统频谱效率和性能，选取的可用子信道数M占子信道组u中子信道数B_u的比例一般在5％-100％之间。

2、对可用子信道上的信号作分块正交变换

由于大多数的正交变换运算，点数为2的整数次幂时有快速算法，因此当所作的正交变换点数不是2的整数次幂时，可以采用分块的方法提高计算效率。

其方法是将一个点数多但不是2的整数次幂的正交变换运算分成若干点数相对少的正交变换运算；这些点数少的正交变换运算中至多有一个点数不是2的整数次幂，但点数很小，而剩下的那些都是2的整数次幂，即做分块正交变换，分块方法有多种，建议遵循下述原则：

a.长度大于等于16的块，其长度要为2的整数次幂；

b.长度小于16的块至多为1个；

c.不建议使用长度小于4的块；

对正交逆变换做同样处理，通过这样的分块处理后，系统的运算效率得到提高。

本发明在保证系统性能的前提下较好的解决了下行链路在时变环境中的接入问题。从实施例给出的仿真结果可以看出，对于信号抽样率40MHz，信号的射频带宽不超过46MHz的单天线系统，在IMT2000移动信道A的和Doppler频率达到100Hz-300Hz，接收信噪比为14dB的条件下应用16QAM，本发明提出的方法可以在保证系统的误比特率低于5×10^-3的条件下，对占用128个子信道的移动台，得到系统的上行传输速率不低于10.0Mbps，而反向信道的回传信息速率也不超过500Kbps，从目前文献上看，还没有公开发表的文献可以在相同的条件下达到这样的结果。

(四)附图说明

附图是实现本发明所提出方法的系统框图。

图中：1、信源模块，2、符号映射模块，3、FFT模块(M点)，4、信号频谱变换模块，5、合并模块，6、IFFT模块(N点)，7、加循环前缀(CP)模块，8、D/A模块，9、中频及射频调制模块，10、信道，11、射频及中频解调模块，12、A/D模块，13、去CP模块，14、FFT模块(N点)，15、信号频谱反变换模块，16、均衡模块，17、IFFT模块(M点)，18、判决模块，19、信道估计模块，20、自适应选频判断模块，21、选频模块，22、反向信道，23、同步模块，24、多址接入控制模块。

(五)具体实施方式

实施例：

在实施例中采用的正交变换是M点离散傅立叶变换，相应的逆正交变换是M点离散傅立叶逆变换。实施例没有对M点DFT和IDFT做分块处理。

附图给出了实现本发明所提出方法的系统框图，各模块作用如下：

信源模块1：通用模块，产生要传输的数据。根据多址接入模块24和反向信道22传回的结果，分别产生与各个移动台所选的可用子信道数目对应长度的数据组。

符号映射模块2：通用模块，将信源产生的数据根据所采用的调制方式映射到星座图对应点上。

M点FFT变换模块3：通用模块，将各个移动台U的已映射信号分别作DFT变换。

信号频谱变换模块4：本系统特有模块，基站通过多址接入模块24和反向信道22发送回来的子信道标记信息，将模块3输出的M点频域信号放置到M个可用子信道对应频谱点上，而禁用子信道对应频谱点置零，或填充非信息数据，就得到一帧N点新的分块传输系统的频域信号。此模块需要按照发明内容中详细步骤(3)介绍的方法编程，由通用数字信号处理芯片实现。

信号合并模块5：将所有移动台的频域信号直接叠加，得到一帧包含所有移动台数据的数据帧。

N点IFFT模块6：通用模块，将新得到的频域信号变换到时域。

加CP模块7：通用模块，将得到的每帧数据加上循环前缀。

D/A模块8：通用模块，将数字信号变换为模拟信号。

中频及射频调制模块9：通用模块，如果在无线环境下使用该系统，需要对信号作射频调制才能送天线发射。有的时候需要先把信号调制到中频上进行中频放大，再作射频调制，最后将已调信号送天线发射。

信道10：通用模块，传输信号经过的宽带移动信道。

射频及中频解调模块11：通用模块，在无线环境中，将接收天线接收下来信号的频谱从射频或者中频搬移到低频。在解调之前需要用频率同步数据纠正信号传输过程中引起的频偏。

A/D模块12：通用模块，将解调后模拟信号变换为数字信号。A/D模块需要对模拟信号进行抽样，提供时钟信号的晶振需要跟发射机D/A模块的晶振频率相同，否则就会导致抽样率误差。因此在A/D之前要进行抽样率同步。

去CP模块13：通用模块，将循环前缀去掉。这时就存在判断一帧数据何时开始的问题，因此去CP之前需要作定时同步。

N点FFT模块14：通用模块，将去掉CP的信号变换到频域。

信号频谱反变换模块15：本系统特有模块，根据多址接入模块24和信道估计模块19送来的子信道标记信息，找出接收信号中由可用子信道携带的M点频域信号从而形成频域信号。此模块需要按照发明内容中详细步骤(4)介绍的方法编程，由通用数字信号处理芯片实现。

均衡模块16：通用模块，用信道估计模块19送来的可用子信道参数即信道状态信息(CSI)，对信号频谱反变换模块15选出来的信号进行均衡。均衡方式可以选择下述三种均衡方式之一：迫零均衡、最小均方误差均衡、混和方式均衡。

M点IFFT变换模块17：通用模块，将均衡后信号的M个频域信号变换到时域。

判决模块18：通用模块，根据系统所采用的调制方式，完成时域信号的判决。

信道估计模块19：通用模块，进行信道状态获取。可以用不同的方法来获取信道状态信息，如信道预测、基于辅助数据的信道估计方法、判决反馈信道跟踪方法等。实施例给出信道状态获取方法是训练帧加判决反馈跟踪。下面简要的对这种方法进行说明：

训练帧加判决反馈跟踪的方法是，首先发训练帧估计信道，后面的数据帧根据判决的结果重构判决之后的符号：

设接收到的离散时域信号是r′(k)，(k＝0，1，…，N-1)，将其变换到频域得到R′(k)，(k＝0，1，…，N-1)，该数据帧判决后的时域符号是

(m＝0，1，…，M-1)，根据移动台采用的调制方式进行符号映射，得到重构后的符号

(m＝0，1，…，M-1)，对

(m＝0，1，…，M-1)进行M点正交变换，得到(m＝0，1，…，M-1)，这就是根据判决结果重构的频域符号，利用重构的频域符号跟踪信道的方法是：

$H\&prime;\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}R\&prime;\left(k_m\right)/\tilde{S}\&prime;\left(m\right),& {|R\&prime;\left(k_m\right)|}^2\&GreaterEqual;\mathrm{threshold}\\ H\left(k_m\right),& {|R\&prime;\left(k_m\right)|}^2<\mathrm{threshold}\end{array}\right.$

其中，H(k_m)为系统在前一帧的信道状态信息，threshold是门限。这里k_m，(m＝0，1，…，M-1)是M个可用子信道的整体标号。

由于只有部分子信道上有判决符号，跟踪只对可用子信道进行。一段时间之后再重新发训练帧消除跟踪带来的误差积累。其中要说明的是，跟踪方法并不利用所有可用子信道上的重构符号，而只利用了功率大于某个门限即threshold的频域符号，对于幅值小于门限的子信道，其频域CSI不作更新，即保持上一时刻的值不变，本实施例中，16QAM采用的门限是信号频域平均功率的一半，QPSK采用的门限是信号的频域平均功率。

自适应选频判断模块20：本系统特有模块，根据信道估计19传来的每帧更新的CSI，得到子信道的幅度增益|H(k_i)|，(i＝0，1，…，M-1)以及可用子信道标记信息进行判断。可以用不同的判断规则。如果判断结果是需要进行重新选频，则控制选频模块21工作；发端在发送新的一帧数据时，总是按照最近获得的子信道标记信息工作。以下给出实现例子：

获取子信道上的CSI后，使用的判断的方法是：计算出当前的均衡后信噪比，即实际的均衡后信噪比，与期望均衡后信噪比作差值，如果所得的差值的绝对值大于门限，重新选频，否则保持当前的信道标记信息不变；实施例的仿真中门限值取1dB；

选频模块21：本系统特有模块，由信道估计模块19得到的子信道组u的信道状态信息，选出可用子信道，根据信道是否可用，用1比特信息(“0”或“1”)标记，形成子信道标记信息，将子信道标记信息同时送给信号频谱反变换模块15和反向信道22，通过反向信道发回移动台的信号频谱变换模块4；此模块需要按照背景技术中提到的申请号为200410036439.6的中国发明专利中介绍的方法编程，由通用数字信号处理芯片实现。

反向信道22：通用模块，将子信道标记信息传回基站。

同步模块23：通用模块，通过参数估计得到系统需要的各种同步数据。同步模块将频率同步数据送给射频及中频解调模块11；将抽样率同步数据送给A/D模块12；将定时同步数据送给去CP模块13。

多址接入控制模块24：建立通信时，基站由信道估计模块19得到各个用户的信道状态信息，为每个用户分配子信道组u。建立子信道组u的方案是子信道组u的所有子信道按照一定的间隔散布在整个带宽中，此间隔的大小等于用户数，并且所有子信道组u的子信道数量都是相同的。

该实施例仿真参数：

仿真环境：Matlab7.0.1

子信道总数：N＝1024

调制方式：QPSK，16QAM

CP长度：128

数据采样率：40M

最大多普勒频率：100Hz，200Hz，300Hz

时变信道模型：

ITU IMT2000 Vehicular Test Environment channel model A

参考RECOMMENDATION ITU-R M.1225

GUIDELINES FOR EVALUATION OF RADIO TRANSMISSION

TECHNOLOGIES FOR IMT-2000

仿真中没有考虑同步误差(包括载波同步误差、抽样率同步误差和帧定时同步误差)对系统的影响，即假设所有同步参数的误差都为0；没有考虑反向信道回传可用子信道时的传输时延和传输误码的影响，即假设传输时延和误码都为0；没有考虑其他非理想因素的影响(例如器件的非线性等)。

仿真结果：

1.128个子信道用户，子信道组：1mod(8)

2.16个子信道用户，子信道组：1mod(64)

为避免混淆，本说明书中所提到的一些名词做以下解释：

1 符号：是指信息比特经过调制映射(也称符号映射)后的数据。一般是一个实部和虚部均为整数的复数。

2 一帧信号：对于OFDM，一帧信号在发送端是指作IFFT变换的N个符号，在基站是指在去掉CP以后作FFT变换的N个符号。对于SC-FDE，一帧信号在发送端是指相邻两个CP之间的N个信息符号，在基站是指在去掉CP以后作FFT变换的N个符号。对于按本发明提出的方法实现的SC-FDE系统，一帧信号在发送端是指作FFT变换的M个符号，在基站是指在均衡以后作IFFT变换的M个符号。

3 子信道：对于OFDM，SC-FDE基带信号，一个子信道是指在基站FFT后一个频率点。对于射频信道，一个子信道是指射频信道的一段频谱。

4 子信道组：分配给用户的子信道的集合。

5 信噪比：信号功率和噪声功率的比值，其中发明内容和权利要求部分提到的信噪比是未取对数的，没有单位；实施例中提到的信噪比是对数信噪比，单位是dB。

6 均衡后信噪比：均衡之后信号功率跟噪声功率的比值。

7 期望均衡后信噪比：不同误码性能要求的最低的均衡后信噪比。

Claims (4)

1、一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法，该方法包括以下步骤：

(1)初始子信道组分配，基站为接入到当前基站的各个移动台分配一组子信道，通知各个移动台其所分到的子信道组情况；

(2)基站向接入到当前基站的移动台发送一帧进行信道估计的辅助数据，移动台各自估计出本移动台所用的子信道组的信道状态信息，移动台在本移动台的子信道组中按照子信道增益高低，选取增益高的前M个为可用子信道，形成子信道标记信息，并将本移动台的子信道组的子信道标记信息发送到基站；

(3)基站根据收到的各个子信道组子信道标记信息对各个移动台的已调信号进行正交变换，扩展成N维向量，变回时域发送，建立起基站到移动台的下行通信链路，N为基站所有可用的子信道个数；

(4)移动台将收到的抽样信号变换到频域，根据移动台U的子信道组的子信道标记信息对接收信号进行频域均衡，选出可用子信道上的有用信号，变回时域并完成判决，得到信息数据；

(5)根据需要，在通信过程中基站改变子信道组u，换为其他子信道组，或移动台保持子信道组u不变，改变子信道组u中的子信道标记信息；作出改变后，基站将改变后的子信道组的标识信息发送到移动台或移动台将改变后的子信道组u的子信道标记信息发送到基站，移动台总是根据最近收到的子信道组标识信息与基站进行通信或基站总是根据最近收到的子信道组u的子信道标记信息与移动台进行通信。

2、根据权利要求1所述的一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法，其特征在于：第(3)步中基站根据移动台U所采用的调制方式对其业务数据进行符号映射，形成待传输的一帧M个符号，将这M个符号进行正交变换，得到M个变换域符号，根据子信道标记信息将上述M个变换域符号扩张成N维向量，得到待发送信号的频域形式；

各个移动台的发送信号在频域是互相不重叠的，将这些互不重叠的N维向量合并成一个N维向量，即基站待发送信号的频域形式，变到时域加循环前缀CP发送；

其中，根据子信道标记信息将M个变换域符号扩张成N维向量的具体方法是：

在基站收到移动台U发送回来的子信道标记信息后，只用M个可用子信道来传输信号，这样对移动台U的一帧M个分块传输系统符号s(n)，n＝0，1，…，M-1，作M点正交变换到变换域：

S＝Fs

其中，F是M点正交变换矩阵，s＝{s(n)，n＝0，1…M-1}为M个分块传输系统时域符号，S＝{S(i)，i＝0，1…，M-1}为M个变换域符号；

将M维变换域符号S＝{S(i)，i＝0，1…M-1}扩张成N维向量S′＝{S′(k)，k＝0，1…N-1}，其中M个变换域符号与子信道组u的M个可用子信道一一对应，S按M个可用子信道整体标号的顺序依次与其对应：

令S′＝{S′(k)，k＝0，1，…，N-1}第k_m个分量等于S(m)，在子信道组u的其他子信道对应的分量上置零或放置一些非信息数据；在不属于子信道组u对应的各子信道上，全部置零；

这里k_m，m＝0，1，…，M-1，是子信道组u中的M个可用子信道的整体标号；

其中：D_u(m)：子信道组u的子信道标号数组，D_u(m)＝k表示子信道组u的局部标号为m的子信道的整体标号是k，这个数组在基站和移动台U都存储，基站根据D_B(k)得到D_u(m)，移动台U则根据基站传过来的子信道组u的标识信息I_u得到D_u(m)；

D_B(k)：N维向量，N为基站所有可用的子信道个数，若D_B(k)＝u，1≤u≤U_max，表示第k个子信道属于第U个移动台的子信道组u，U_max表示基站允许接入的最大用户数；

A_u(m)：子信道组u的子信道标记信息，A_u(m)＝0，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是不可用子信道；A_u(m)＝1，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是可用子信道；

对所有移动台的数据组都作上述过程的变换，就得到一帧分块传输系统的频域信S′＝{S′(k)，k＝0，1，…，N-1}，然后对S′(k)，k＝0，1，…，N-1，做N点的离散傅里叶逆变换，通过快速傅立叶逆变换算法实现：

$s\&prime;\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}S\&prime;\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{nk}},$ n＝0，1，…，N-1

变成时域信号，过抽样时IFFT点数要大于N，高频部分置零，对该时域信号作D/A变换后，再进行载波调制就能够发送出去。

3、根据权利要求1所述的一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法，其特征在于：第(4)步中根据子信道标记信息选出本移动台可用子信道上的信号的具体实现方法是：

设收端接收到信号去掉循环前缀CP的时域离散信号为：

$r\&prime;\left(n\right)=s\&prime;\left(n\right)\&CircleTimes;h\left(n\right)+w\left(n\right),$ n＝0，1，…，N-1

对其做N点的DFT：

$R\&prime;\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}r\&prime;\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{nk}},$ k＝0，1，…，N-1

并且：

R′(k)＝S′(k)H(k)+W(k)，k＝0，1，…，N-1

其中：

h(n)，n＝0，1，…N-1为信道的脉冲响应；

w(n)，n＝0，1，…，N-1为加性白高斯噪声；

表示循环卷积运算”；

H(k)，W(k)分别是h(n)，w(n)做N点DFT得到的频域符号；

H(k)，k＝0，1，…，N-1是信道的频域响应；

这里k_m，m＝0，1，…，M-1，是子信道组u中的M个可用子信道的整体标号；

其中：D_u(m)：子信道组u的子信道标号数组，D_u(m)＝k表示子信道组u的局部标号为m的子信道的整体标号是k，这个数组在基站和移动台U都存储，基站根据D_B(k)得到D_u(m)，移动台U则根据基站传过来的子信道组u的标识信息I_u得到D_u(m)；

D_B(k)：N维向量，N为基站所有可用的子信道个数，若D_B(k)＝u，1≤u≤U_max，表示第k个子信道属于第U个移动台的子信道组u，U_max表示基站允许接入的最大用户数；

A_u(m)：子信道组u的子信道标记信息，A_u(m)＝0，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是不可用子信道；A_u(m)＝1，表示子信道组u中的局部标号为m的子信道是可用子信道；

$s\&prime;\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}S\&prime;\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{nk}},$ n＝0，1，…，N-1；

这样就能够根据子信道组u的标记信息及其对应的子信道标记信息共同选出M个可用子信道上的信号R(m)，m＝0，1，…，M-1。

4、根据权利要求1所述的一种选频分块传输系统的下行链路频分多址接入方法，其特征在于：第(4)步中选出可用子信道数M占子信道组u中子信道数B_u的5％-100％之间。

Images